黃粉蓮，田茂盛，萬明定，申立忠，雷基林

過量空氣系數(shù)對柴油/甲醇RCCI發(fā)動機(jī)非常規(guī)排放特性的影響

黃粉蓮，田茂盛，萬明定，申立忠，雷基林

（昆明理工大學(xué)云南省內(nèi)燃機(jī)重點實驗室，昆明 650500）

為探究柴油/甲醇反應(yīng)活性控制壓燃（Reactivity Controlled Compression Ignition，RCCI）發(fā)動機(jī)非常規(guī)排放特性及影響機(jī)理，該研究對某高壓共軌柴油機(jī)進(jìn)氣歧管進(jìn)行改造，搭建了柴油/甲醇雙燃料RCCI發(fā)動機(jī)專用試驗臺架，系統(tǒng)研究了不同甲醇替代率、過量空氣系數(shù)對發(fā)動機(jī)非常規(guī)排放物的影響規(guī)律。結(jié)果表明：最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速（2 000 r/min）、不同負(fù)荷工況下，隨甲醇替代率增大，柴油/甲醇RCCI發(fā)動機(jī)甲醇、甲醛、芳香烴碳?xì)浠衔锖蚐O2排放量升高，非甲烷總烴、CO2排放降低；25%負(fù)荷、甲醇替代率從0%增加到15%，CO2排放量降低4.5%；100%負(fù)荷、30%甲醇替代率時，CO2排放量較純柴油模式減少6.8%。隨過量空氣系數(shù)減小，未燃甲醇、甲醛、非甲烷總烴和SO2排放量降低，CO2排放升高；25%負(fù)荷下，過量空氣系數(shù)從3.48減小到3.05，5%、10%、15%替代率下甲醇排放量分別降低16.9%、12.7%和14.5%，甲醛排放量分別降低8.8%、10.8%和10.5%，非甲烷總烴排放量平均下降75%；100%負(fù)荷下，過量空氣系數(shù)從1.6減小到1.38，10%、20%、30%替代率下甲醇排放量分別降低45.6%、45.9%和43.9%, 非甲烷總烴排放分別降低18.2%、27.3%和60%，甲醛排放量平均減少34.4%；高負(fù)荷下芳香烴碳?xì)浠衔镫S過量空氣系數(shù)的減小而升高，低負(fù)荷下變化不明顯；RCCI模式下，碳?xì)浠衔锏闹饕煞质俏慈技状己图兹?，適當(dāng)關(guān)小節(jié)氣門開度，減小過量空氣系數(shù)，對降低非常規(guī)污染物排放有利。外特性工況下，隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增加，未燃甲醇、非甲烷總烴、二氧化碳排放降低，甲醛排放增多；不同轉(zhuǎn)速下隨著甲醇替代率增加，非甲烷總烴和二氧化碳排放降低，未燃甲醇和甲醛排放量增加。研究結(jié)果可為柴油/甲醇雙燃料RCCI發(fā)動機(jī)非常規(guī)排放物控制奠定理論基礎(chǔ)。

發(fā)動機(jī)；燃燒；柴油；甲醇；過量空氣系數(shù)；非常規(guī)排放物

0 引 言

面對石化能源日益枯竭和排放法規(guī)日趨嚴(yán)苛，開發(fā)清潔、可再生的代用燃料及高效、低排放的柴油機(jī)燃燒技術(shù)已成為內(nèi)燃機(jī)界的首要目標(biāo)。甲醇作為新興清潔能源，具有低碳、辛烷值高、含氧量高、低污染和無排煙等特點[1]，是完全可以實現(xiàn)碳中性循環(huán)的可再生合成能源，被譽(yù)為“液態(tài)陽光”。實現(xiàn)國家碳排放達(dá)峰和碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)，發(fā)展甲醇經(jīng)濟(jì)是重要的能源取向[2]。甲醇/柴油反應(yīng)活性控制壓燃（Reactivity Controlled Compression Ignition，RCCI）技術(shù)通過進(jìn)氣道低壓噴入低活性、易揮發(fā)的甲醇燃料，缸內(nèi)直噴柴油引燃均質(zhì)的甲醇空氣混合氣燃燒，缸內(nèi)燃油混合過程形成活性分層梯度，實現(xiàn)可控的高效清潔燃燒[3-4]。研究表明，RCCI策略兼具熱效率高、排放低、發(fā)動機(jī)負(fù)荷范圍寬等優(yōu)勢，與傳統(tǒng)柴油機(jī)相比，RCCI發(fā)動機(jī)中氮氧化物（Nitrogen Oxide，NO）和碳煙排放可降低3個數(shù)量級，指示熱效率可提高16.4%[5-7]。

近年來，隨著環(huán)保問題日益嚴(yán)峻，鑒于甲醇燃料的清潔特性，世界各國逐漸開始重視甲醇燃料的研究工作。甲醇/柴油混合燃燒技術(shù)方面的研究主要針對甲醇噴射方式（進(jìn)氣歧管噴射、進(jìn)氣沖程缸內(nèi)直噴和壓縮沖程缸內(nèi)直噴）、甲醇替代比例、廢氣循環(huán)率（Exhaust Gas Recirculation，EGR）及柴油噴射策略等對發(fā)動機(jī)燃燒與排放性能的影響。研究表明，甲醇進(jìn)氣歧管噴射策略可實現(xiàn)NO和碳煙超低排放[8]。隨甲醇比例的增加，峰值燃燒壓力和放熱率降低，NO排放顯著下降，采用甲醇多點噴射的RCCI燃燒策略可顯著降低碳煙排放[9]。采用26%的EGR可減少發(fā)動機(jī)循環(huán)變動、提高熱效率、降低NO和碳煙排放[10]。全負(fù)荷工況下顆?？倲?shù)濃度較高，且隨著甲醇預(yù)混比例的增加而升高[11]。引燃柴油采用二次噴射策略可提高峰值放熱率和燃燒溫度，改善燃燒穩(wěn)定性；采用后噴策略可降低碳?xì)浠衔铮℉ydrocarbon，HC）、一氧化碳（Carbon monoxide，CO）、NO和煙度比排放[12]。

國內(nèi)學(xué)者對甲醇/柴油RCCI發(fā)動機(jī)的研究較多，涉及發(fā)動機(jī)臺架試驗、燃燒過程仿真、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型等方面，甲醇預(yù)混比例、進(jìn)氣溫度、預(yù)混氛圍溫度、柴油噴射正時、燃空當(dāng)量比、EGR 率等是甲醇/柴油RCCI 發(fā)動機(jī)燃燒控制的關(guān)鍵參數(shù)[13-14]。采用較高的初始壓力、適中的EGR率、較高的預(yù)混甲醇比例、較早的噴油時刻以及較高的初始溫度，能夠同時獲得較好的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放表現(xiàn)[15-16]。在低進(jìn)氣溫度和高負(fù)荷下，隨著甲醇替代率的增加，發(fā)動機(jī)排氣煙度和顆粒物數(shù)量均降低[17]。通過優(yōu)化內(nèi)部廢氣再循環(huán)（EGR）、外部EGR、進(jìn)氣加熱和柴油機(jī)噴油正時延遲，可改善甲醇/柴油RCCI發(fā)動機(jī)低負(fù)荷條件下的燃油經(jīng)濟(jì)性和污染物排放[18]。隨著甲醇替代比例的增加，NO2排放量先增加后降低，EGR的加入可以降低NO2的排放[19]。高負(fù)荷下的排氣?損失相對較小，較高的進(jìn)氣溫度有助于提高?效率[20]。甲醇噴射時刻對甲醇/柴油RCCI發(fā)動機(jī)的缸壓、放熱率、缸溫、燃油經(jīng)濟(jì)性以及一氧化碳（CO）、NO排放等影響甚微[21]。隨甲醇摻燒比例升高，缸內(nèi)點火延遲增大，燃燒持續(xù)期縮短，爆震強(qiáng)度增大，HC和NO排放增加，CO和煙度排放降低。適當(dāng)推遲柴油主噴時刻，可改善燃燒質(zhì)量和降低HC、CO排放[22]。引燃柴油采用2次噴射策略會對燃燒室內(nèi)的燃燒壓力、壓力升高率曲線的形貌產(chǎn)生明顯的影響，整機(jī)熱效率升高，活塞及氣缸周壁熱負(fù)荷降低，HC排放降低，CO、NO和PM排放升高；高負(fù)荷工況下，減少預(yù)噴油量可提高燃燒穩(wěn)定性[23]。

甲醇的著火濃度下限高、汽化潛熱高，甲醇燃料發(fā)動機(jī)容易產(chǎn)生甲醛、未燃甲醇等非常規(guī)氣體排放[24]。2020年11月10日，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布并實施HJ 1137—2020《甲醇燃料汽車非常規(guī)污染物排放測量方法》[25]，規(guī)范了甲醇燃料汽車非常規(guī)污染物排放物的測量方法及型式檢驗，甲醇汽車的環(huán)保信息正式公開。姚春德等[26]在一臺電控單體泵增壓中冷柴油機(jī)上研究了柴油/甲醇二元燃料發(fā)動機(jī)的非常規(guī)排放特性。結(jié)果表明：柴油/甲醇二元燃料燃燒模式下的非常規(guī)排放物甲醛、未燃甲醇、1,3-丁二烯及N2O的比排放與純柴油模式相比均有不同程度的增加，且均隨著甲醇替代率的增加而增加；甲醛、未燃甲醇及N2O 的比排放隨著負(fù)荷的增加逐漸降低。在高壓共軌增壓中冷重載柴油機(jī)上的研究表明：隨著預(yù)噴油量的增加，柴油/甲醇雙燃料發(fā)動機(jī)缸內(nèi)峰值壓力明顯上升，HC、CO、CO2、N2O、甲酸和甲醛等常規(guī)及非常規(guī)排放物呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢；未燃甲醇、1,3-丁二烯排放在30%替代率下逐漸降低，50%替代率時有所升高[27]。

引燃柴油量較大時，柴油機(jī)二元燃料模式下存在柴油的擴(kuò)散燃燒。研究表明，柴油噴霧擴(kuò)散燃燒具有不均勻性、理論當(dāng)量比下為擴(kuò)散火焰控制的特性，會產(chǎn)生較高的NO和碳煙排放[28]。增強(qiáng)缸內(nèi)燃油分布的均勻性，控制燃油當(dāng)量比在化學(xué)計量比之內(nèi)，可降低甲醇/柴油RCCI燃燒?損失[29]。為實現(xiàn)雙燃料RCCI發(fā)動機(jī)高效、清潔燃燒，應(yīng)盡量減少柴油擴(kuò)散燃燒的比例，盡可能地實現(xiàn)均質(zhì)混合氣壓燃著火過程。過量空氣系數(shù)對柴油機(jī)爆震極限、燃燒持續(xù)期、熱效率與污染物生成均有重要影響[30]。隨缸內(nèi)空燃比增大，柴油/丙烷混合燃料發(fā)動機(jī)燃燒持續(xù)期縮短，缸內(nèi)最高燃燒壓力降低，NO和碳煙排放減少；在小空燃比時，HC、CO排放隨空燃比的減小而增加，在大空燃比時變化不大[31]。隨過量空氣系數(shù)（）減小，柴油引燃天然氣發(fā)動機(jī)功率增大，有效燃油消耗率降低，NO排放增加；當(dāng)λ<1.6時，HC和CO排放隨減小而降低，當(dāng)λ>1.6時，HC和CO排放隨減小而升高[32]。50%負(fù)荷下，隨過量空氣系數(shù)增大，柴油引燃天然氣發(fā)動機(jī)缸內(nèi)最高燃燒壓力升高，著火時刻提前；100%負(fù)荷下，隨過量空氣系數(shù)增大，NO排放先增加后減少[33]。

綜上所述，RCCI燃燒控制的關(guān)鍵在于根據(jù)缸內(nèi)燃燒需求實時調(diào)控兩種燃料的噴射比例、噴射正時及空燃比，通過設(shè)計合理的缸內(nèi)混合氣濃度與活性分布，實現(xiàn)高效燃燒和超低排放。柴油/甲醇RCCI發(fā)動機(jī)易產(chǎn)生甲醛、未燃甲醇等非常規(guī)排放物。目前，國內(nèi)外學(xué)者針對柴油/甲醇RCCI發(fā)動機(jī)非常規(guī)排放物影響因素的研究主要涉及甲醇替代率和進(jìn)氣溫度，針對過量空氣系數(shù)對非常規(guī)排放特性影響的研究基本空白。本研究基于實驗室自主開發(fā)的甲醇/柴油RCCI發(fā)動機(jī)燃油供給及一體化控制系統(tǒng)及試驗臺架，通過調(diào)控甲醇噴射量及控制節(jié)氣門開度調(diào)節(jié)缸內(nèi)可燃混合氣濃度，研究甲醇替代率和過量空氣系數(shù)對柴油/甲醇RCCI 發(fā)動機(jī)非常規(guī)排放特性的影響，以期為柴油/甲醇雙燃料RCCI發(fā)動機(jī)排放性能優(yōu)化及甲醇、柴油噴射與進(jìn)氣協(xié)同控制奠定理論基礎(chǔ)。

1 試驗裝置與方法

對試驗用某4缸電控高壓共軌直噴柴油機(jī)進(jìn)氣道進(jìn)行改造，在進(jìn)氣歧管處安裝4個甲醇噴射器實現(xiàn)甲醇多點順序噴射，進(jìn)氣總管處加裝電子節(jié)氣門對進(jìn)氣流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。對原柴油機(jī)試驗臺架進(jìn)行改造，安裝甲醇供給系統(tǒng)、甲醇流量測試系統(tǒng)和排放測量裝置，建成柴油/甲醇RCCI發(fā)動機(jī)專用試驗臺架。甲醇采用進(jìn)氣道低壓噴射，引燃柴油噴入缸內(nèi)，通過調(diào)節(jié)2種燃料的噴射量、噴射正時和節(jié)氣門開度，動態(tài)控制缸內(nèi)混合氣的燃料特性與發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況相適應(yīng)，實現(xiàn)RCCI燃燒控制。試驗研究外特性工況和最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速（2 000 r/min）、負(fù)荷率25%與100%工況下甲醇替代率、過量空氣系數(shù)對柴油/甲醇RCCI發(fā)動機(jī)綜合性能的影響規(guī)律。試驗時保持原機(jī)的柴油噴射正時不變，根據(jù)替代率需求調(diào)節(jié)柴油和甲醇的噴射量。試驗臺架如圖1所示，采用雙紐線發(fā)動機(jī)進(jìn)氣質(zhì)量流量計測量進(jìn)氣量，AVL FTIR i60傅立葉紅外分析儀可同時測定非甲烷總烴（NMHC）、醇類、醛類、芳香烴類（AHC）、SO2、以及常規(guī)排放物NO、NO2、CO及CO2等25中常規(guī)和非常規(guī)排氣污染物組分。試驗用柴油和甲醇燃料的特性參數(shù)如表1所示，發(fā)動機(jī)基本參數(shù)如表2所示，主要試驗設(shè)備如表3所示。

采用雙燃料RCCI燃燒模式運(yùn)行時，當(dāng)量燃油消耗量按等熱值將甲醇折合為柴油，即

RCCI發(fā)動機(jī)的過量空氣系數(shù)為混合氣體中空氣質(zhì)量與燃料所需理論空氣量之比，計算公式如下：

表1 甲醇和柴油主要特性參數(shù)

表2 發(fā)動機(jī)基本參數(shù)

表3 主要設(shè)備參數(shù)

甲醇替代率M定義為每循環(huán)噴入缸內(nèi)的甲醇熱值占循環(huán)供油量總熱值的比例，按下式計算：

當(dāng)量燃油消耗率表示在雙燃料RCCI模式下把甲醇消耗率等熱值轉(zhuǎn)化為柴油后計算得到的總的有效燃油消耗率，按下式計算：

2 結(jié)果與分析

2.1 負(fù)荷特性下甲醇替代率對非常規(guī)排放物的影響

圖2是發(fā)動機(jī)2 000 r/min、節(jié)氣門全開時，不同負(fù)荷下甲醇替代率對總碳?xì)浠衔锱欧诺挠绊懸?guī)律。由圖分析可知，純柴油（甲醇替代率0%）模式下，總碳?xì)渑欧帕侩S負(fù)荷的變化不明顯。雙燃料模式下，不同負(fù)荷工況下總碳?xì)渑欧帕侩S甲醇替代率的增大而逐漸升高，隨負(fù)荷的升高而降低。25%負(fù)荷下，總碳?xì)渑欧帕侩S甲醇替代率的增加而急劇升高，15%甲醇替代率時，總碳?xì)渑欧帕窟_(dá)到原機(jī)的43.6倍。負(fù)荷率100%時，總碳?xì)渑欧抛兓吘彛?0%甲醇替代率下總碳?xì)渑欧帕渴窃瓩C(jī)的13.2倍。總碳?xì)浠衔锇ㄈ加椭械奈慈继細(xì)?，裂解反?yīng)和再化合反應(yīng)的產(chǎn)物、燃燒和氧化反應(yīng)的中間產(chǎn)物等，其生成機(jī)理復(fù)雜，影響因素眾多。低負(fù)荷工況下，發(fā)動機(jī)循環(huán)噴油量少，而甲醇揮發(fā)性好，燃料容易與空氣過度混合，導(dǎo)致缸內(nèi)混合氣過稀，且甲醇汽化吸熱使得缸內(nèi)燃燒溫度過低，造成反應(yīng)鏈斷裂，不完全燃燒產(chǎn)物增多，且不完全燃燒產(chǎn)物繼續(xù)氧化困難，導(dǎo)致THC 排放較高。隨著負(fù)荷率的增大，引燃柴油量增多，火焰?zhèn)鞑ケ认』旌蠚鈺r要更加穩(wěn)定，THC排放降低。

THC的生成另一方面是火焰壁面淬熄效應(yīng)和狹隙效應(yīng)而導(dǎo)致甲醇燃料不完全燃燒。RCCI燃燒模式下甲醇在進(jìn)氣沖程噴入燃燒室，掃氣過程中，部分未燃甲醇混合氣被掃出氣缸。壓縮過程中部分可燃混合氣被擠入活塞、活塞環(huán)與氣缸壁之間的間隙等狹窄縫隙中，火焰難以使縫隙中的燃油完全燃燒，且小負(fù)荷工況存在一定壁面淬熄效應(yīng)，造成THC排放大幅升高。隨著發(fā)動機(jī)負(fù)荷的增大，缸內(nèi)溫度和壓力逐漸升高，柴油霧化質(zhì)量改善，排氣能量增大，渦輪效率升高而使得進(jìn)氣量增加，缸內(nèi)工質(zhì)燃燒更加充分，致使THC排放逐漸減少。隨著甲醇替代率增加，甲醇汽化吸熱致使缸內(nèi)初始燃燒溫度降低，不利于碳?xì)溲趸突钚宰杂苫鄯e，THC排放升高。在小負(fù)荷時總碳?xì)渑欧偶眲∩?，中、高?fù)荷碳?xì)渑欧抛兙?，中等?fù)荷下甲醇替代率可達(dá)40%，低、高負(fù)荷工況甲醇替代率范圍較窄，低負(fù)荷工況最大甲醇替代率受碳?xì)渑欧诺南拗疲哓?fù)荷工況最大替代率受燃燒粗暴限制。

試驗過程中AVL FTIR i60傅立葉紅外分析儀檢測到NO、CO、NO、NO2、N2O、CO2、烷烴、烯烴、1,3-丁二烯（C4H6）、非甲烷總烴（NMHC）、甲醛（HCHO）、甲醇（MEOH）、乙醛（MECHO）、二氧化硫（SO2）、芳香烴類（AHC）、正辛烷（N-Octane）等25 種物質(zhì)。圖 3a為2 000 r/min、節(jié)氣門全開、負(fù)荷率為25%時，純柴油模式和15%甲醇替代率下非常規(guī)排放物的主要成分。純柴油模式下，未燃碳?xì)渑欧帕繕O低，主要成分是芳香烴類、乙醛（MECHO）、C3H6、正辛烷和C2H6，分別占總碳?xì)渑欧诺?6.6%、15.4%、13.9%、13.6%和10.1%；醛類的主要成分是甲醛（HCHO），占總碳?xì)渑欧诺?.9%；甲醇排放僅0.29×10-6。15%甲醇替代率時，碳?xì)浠衔锏闹饕煞质俏慈技状己虷CHO，分別占總碳?xì)渑欧诺?9.6%和9.1%，醇類和甲醛的排放總量占總碳?xì)涞?8%以上。

圖3b為2 000 r/min、節(jié)氣門全開、負(fù)荷率為100%時，純柴油模式和30%甲醇替代率下非常規(guī)排放物的主要成分。純柴油模式下，未燃碳?xì)渑欧泡^低，主要成分是MECHO、AHC、C3H6、C2H6和C4H6，分別占總碳?xì)渑欧诺?1.4%、15.6%、12.2%、11.8%和10.0%。HCHO占總碳?xì)渑欧诺?.7%，甲醇排放量僅占1.9%。30%甲醇替代率時，不完全燃燒產(chǎn)生大量的未燃醇類和醛類，未燃甲醇和甲醛排放量分別占總碳?xì)渑欧诺?1.8%和31.9%，醇類和甲醛的排放總量占總碳?xì)涞?3.7%。

綜合分析圖3可知，低、高負(fù)荷時，純柴油模式下總碳?xì)渑欧诺闹饕煞质欠羌淄榭偀N、芳香烴族和乙醛。雙燃料RCCI模式下，未燃碳?xì)渑欧盼镏饕羌状己图兹?，高?fù)荷工況下，醛類排放的比例增加，與文獻(xiàn)[3]的研究結(jié)果相符。純柴油模式和雙燃料RCCI模式下，烯烴排放量均小于5 cm3/m3。不同負(fù)荷下，雙燃料RCCI模式下SO2排放均略高于純柴油模式，100%負(fù)荷、30%甲醇替代率時SO2排放較原機(jī)升高7.2%。

2.2 負(fù)荷特性下過量空氣系數(shù)對非常規(guī)排放的影響

2.2.1 甲醇排放特性

圖4是2 000 r/min、負(fù)荷率為25%和100%時，過量空氣系數(shù)對甲醇排放量的影響關(guān)系。不同負(fù)荷下，隨著甲醇替代率升高，甲醇排放量急劇增加。25%負(fù)荷、節(jié)氣門全開時（過量空氣系數(shù)=3.5），甲醇替代率0%～15%范圍，甲醇排放體積濃度從0.7增加到1 385 cm3/m3，增幅高達(dá)1978倍。100%負(fù)荷、節(jié)氣門全開狀態(tài)（=1.6）下，10%、20%、30%甲醇替代率時發(fā)動機(jī)的甲醛排放較純柴油模式分別增加99倍、161倍和209倍。不同負(fù)荷工況下，隨過量空氣系數(shù)減小，甲醇排放量降低。25%負(fù)荷下，過量空氣系數(shù)從3.48減小到3.05，5%、10%、15%甲醇替代率下甲醇排放量分別降低16.9%、12.7%和14.5%。100%負(fù)荷下，過量空氣系數(shù)從1.6減小到1.38，10%、20%、30%甲醇替代率下甲醇排放量分別降低45.6%、45.9%和43.9%。

甲醇排放源于未燃燒的甲醇燃料和燃燒反應(yīng)生成物。未燃甲醇主要是來自于掃氣過程、燃燒室內(nèi)未燃燒的混合氣、狹縫中存在的甲醇等[34]。低負(fù)荷工況下，發(fā)動機(jī)醇、油噴射量少，缸內(nèi)過量空氣系數(shù)較大，可燃混合氣過稀，不利于火焰?zhèn)鞑ィ糠旨状嘉磪⑴c燃燒和氧化。此外，甲醇的汽化潛熱是柴油的4.2倍，RCCI模式下甲醇的加入致使進(jìn)氣溫度下降，導(dǎo)致柴油的著火時刻推遲，且甲醇氛圍對柴油著火具有抑制作用，使得低溫放熱時刻延后，低溫放熱強(qiáng)度降低，燃料不完全燃燒加劇，導(dǎo)致未燃甲醇排放較高。高負(fù)荷工況下，引燃柴油量增多，缸內(nèi)點火能量增強(qiáng)，可燃混合氣濃度升高，缸內(nèi)工質(zhì)燃燒更加充分，未燃甲醇排放量減少。甲醇含氧量達(dá)50%，理論空燃比低，RCCI模式下噴入甲醇后會產(chǎn)生稀釋效應(yīng)，缸內(nèi)混合氣燃料燃燒所需的空氣量減少。此外，由于甲醇的可燃界限寬，H/C值大，燃燒時排氣煙度極低。因此，RCCI模式下，適當(dāng)關(guān)小節(jié)氣門開度，減小過量空氣系數(shù)，對甲醇燃料的燃燒和降低污染物排放有利。

2.2.2 甲醛排放特性

圖5所示為2 000 r/min、負(fù)荷率為25%和100%時，各替代率下過量空氣系數(shù)對甲醛排放量的影響規(guī)律。不同負(fù)荷下，隨著甲醇替代率升高，作為甲醛生成源的甲醇噴射量增加，故甲醛排放量急劇增加。25%負(fù)荷、節(jié)氣門全開（過量空氣系數(shù)=3.5）時，甲醇替代率0%～15%范圍，甲醛排放體積濃度從1.8增加到143cm/m3，增幅高達(dá)78.4倍。100%負(fù)荷、節(jié)氣門全開狀態(tài)（=1.6）下，10%、20%、30%甲醇替代率時的甲醛排放量較純柴油模式分別增加22.6倍、35.8倍和44倍。不同負(fù)荷工況下，隨過量空氣系數(shù)減小，甲醛排放量降低。25%負(fù)荷下，過量空氣系數(shù)從3.48減小到3.05，5%、10%、15%替代率下甲醛排放量分別降低8.8%、10.8%和10.5%。100%負(fù)荷下，過量空氣系數(shù)從1.6減小到1.38，10%替代率下甲醛排放量降低36.5%，20%、30%替代率下甲醛排放量降低33.3%，甲醛排放量平均減少34.4%。

醛類排放物是甲醇燃料燃燒氧化過程的中間產(chǎn)物，柴油/甲醇RCCI燃燒發(fā)動機(jī)排氣中的甲醛主要來自兩部分：一是燃燒室內(nèi)因壁面低溫導(dǎo)致甲醇氧化反應(yīng)中斷生成甲醛，二是尾氣中的未燃甲醇在排氣管中因停留時間長、氧濃度高而氧化為甲醛[27]。甲醛的形成主要是甲醇的氧化反應(yīng)和脫氫反應(yīng)，甲醇脫氫反應(yīng)后主要生成CH2OH和CH3O，這2種物質(zhì)氧化后形成甲醛。甲醇生成甲醛主要的脫氫反應(yīng)為

甲醇生成甲醛主要的氧化反應(yīng)為

隨著過量空氣系數(shù)增大，缸內(nèi)氧濃度升高，有利于甲醇氧化生成甲醛。過量空氣系數(shù)較小時，甲醛生成對混合氣濃度較敏感，而過量空氣系數(shù)較大時，甲醛反應(yīng)所需氧濃度趨于飽和，過量空氣系數(shù)對甲醛排放的影響減弱。

2.2.3 非甲烷總烴排放特性

圖6所示為2 000 r/min、負(fù)荷率為25%和100%時，各替代率下過量空氣系數(shù)對非甲烷總烴排放的影響規(guī)律。不同負(fù)荷下，隨著甲醇替代率升高，非甲烷總烴排放量急劇降低。25%負(fù)荷、節(jié)氣門全開時，甲醇替代率從0%增加到15%，非甲烷總烴排放量降低99%。100%負(fù)荷、節(jié)氣門全開狀態(tài)下，10%、20%、30%甲醇替代率時的非甲烷總烴排放量較純柴油模式平均減少62.7%。

不同負(fù)荷工況下，隨過量空氣系數(shù)減小，非甲烷總烴排放量降低。25%負(fù)荷下，過量空氣系數(shù)從3.48減小到3.05，5%、10%、15%替代率下非甲烷總烴排放量平均下降75%。100%負(fù)荷下，過量空氣系數(shù)從1.6減小到1.38，10%、20%、30%替代率下非甲烷總烴排放量分別降低18.2%、27.3%和60%。

非甲烷總烴（NMHC）通常指除甲烷以外的碳?xì)浠衔铮饕牵–2～C8）的總稱，是《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》控制指標(biāo)之一[35]。固定工況下，隨著甲醇噴射量增加，柴油的噴射量減少，非甲烷總烴排放量必然降低，且甲醇脫氫反應(yīng)和氧化反應(yīng)的產(chǎn)物有利于非甲烷總烴的氧化分解。此外，甲醇燃料氧含量高、揮發(fā)性好，RCCI模式下柴油機(jī)摻入甲醇后，會緩解氣缸內(nèi)燃燒區(qū)域的缺氧狀態(tài)，改善混合氣均勻性，促進(jìn)甲醇、柴油充分燃燒氧化，因而有效降低了NMHC 的排放濃度。

2.2.4 CO2排放特性

圖7所示為2 000 r/min、負(fù)荷率為25%和100%時，各替代率下過量空氣系數(shù)對二氧化碳（CO2）排放的影響規(guī)律。不同負(fù)荷下，隨著甲醇替代率升高，CO2排放量降低。25%負(fù)荷、節(jié)氣門全開時，甲醇替代率從0%增加到15%，CO2排放量降低4.5%。100%負(fù)荷、節(jié)氣門全開狀態(tài)下，30%甲醇替代率時CO2排放量較純柴油模式減少6.8%。不同負(fù)荷工況下，隨過量空氣系數(shù)減小，CO2排放量升高。25%負(fù)荷下，過量空氣系數(shù)從3.48減小到3.05，5%、10%、15%替代率下CO2排放量分別增高15.3%、14.4%和12.5%。100%負(fù)荷下，過量空氣系數(shù)從1.6減小到1.38，10%、20%、30%替代率下CO2排放量分別升高9.6%、10.7%和11.5%。

柴油含碳量為C10～C21，而甲醇僅含一個碳原子，相同的放熱量條件下，燃用甲醇燃料排放的CO2比純柴油少。因此，隨著甲醇替代率的增加，CO2的排放量降低。甲醇/柴油RCCI燃燒模式下的CO2排放大幅降低，對于降低發(fā)動機(jī)碳排放意義重大。

2.2.5 芳香族碳?xì)浠衔锱欧盘匦?/p>

圖8所示為2 000 r/min、負(fù)荷率為25%和100%時，甲醇替代率與過量空氣系數(shù)對芳香族碳?xì)浠衔锱欧诺挠绊懸?guī)律。不同負(fù)荷工況下，芳香族碳?xì)浠衔镫S甲醇替代率升高而增多，與文獻(xiàn)[3,36]的結(jié)論一致。負(fù)荷率100%、節(jié)氣門全開時，與純柴油模式相比，10%、20%、30%甲醇替代率下芳香族化合物排放分別增高3.5%、48.4%、53.4%。低負(fù)荷下，隨過量空氣系數(shù)降低，芳香族碳?xì)浠衔锱欧抛兓幻黠@；100%負(fù)荷下，隨過量空氣系數(shù)減小，芳香族碳?xì)浠衔锱欧派?，過量空氣系數(shù)從1.6減小到1.38，各替代率下芳香族碳?xì)浠衔锱欧艥舛绕骄?.79 cm3/m3。

芳香族碳?xì)浠衔锸遣裼驮谙鄬^低的溫度下不完全燃燒生成的[36]。芳香族碳?xì)浠衔镌诘蜏匮趸斜憩F(xiàn)的是惰性，苯環(huán)脫氫反應(yīng)困難。H×進(jìn)攻甲基脫氫是甲苯消耗最主要的方式，其次為本位取代、OH×進(jìn)攻甲基脫氫和OH×進(jìn)攻苯基脫氫。甲基脫氫反應(yīng)主要生成芐基，芐基與氧氣反應(yīng)生成過氧基[37]。甲醇汽化潛熱值大，隨著甲醇替代率增加，缸內(nèi)燃燒溫度降低。由于苯環(huán)共振能大，低溫環(huán)境下過氧基將無法與苯環(huán)上的H原子形成過渡環(huán)結(jié)構(gòu)并發(fā)生環(huán)的解離，導(dǎo)致芳香烴類物未參與氧化裂解而排出氣缸外。隨著過量空氣系數(shù)增大，缸內(nèi)氧濃度升高，促進(jìn)芐基與氧結(jié)合生成過氧基；且高負(fù)荷時，缸內(nèi)燃燒溫度整體提高，有利于過氧基與其相連的碳原子上的H原子形成四原子過渡環(huán)，生成OH×和苯甲醛[37]。因此，高負(fù)荷下，芳香烴類排放濃度較低，且隨過量空氣系數(shù)升高而降低。

2.2.6 SO2排放特性

圖9為甲醇替代率與過量空氣系數(shù)對二氧化硫（SO2）排放的影響規(guī)律。不同負(fù)荷下，二氧化硫排放量均隨甲醇替代率的增大而略微升高，隨過量空氣系數(shù)的減小而降低。負(fù)荷率25%、過量空氣系數(shù)為3.48時，5%、10%、15%甲醇替代率下較純柴油模式分別增加7.1%、14.4%、17.9%；負(fù)荷率100%、過量空氣系數(shù)為1.6時，10%、20%、30%替代率下SO2排放較純柴油模式分別增加1.6%、5.1%、7.2%。

柴油機(jī)中SO2排放主要來自于燃油和潤滑油中的硫，燃油含硫量、消耗量及缸內(nèi)氧濃度直接影響SO2的排放[34]。燃油中的硫在燃燒過程中與氧發(fā)生反應(yīng)，主要產(chǎn)物是SO2和SO3。過量空氣系數(shù)較低時，除SO2外還產(chǎn)生S、H2S、SO等，當(dāng)過量空氣系數(shù)較高時將全部燃燒生成SO2，同時還有少量SO2將進(jìn)一步氧化而生成SO3[38]。隨甲醇替代率增大，當(dāng)量燃油消耗量增加，燃料中的含硫量增多，且甲醇燃料脫氫和氧化反應(yīng)生成的OH、O自由基濃度增加，促進(jìn)S、H2S、SO反應(yīng)生成SO2。隨著過量空氣系數(shù)減小，混合氣中氧濃度降低，SO2排放略微減少。

2.3 外特性工況下甲醇替代率對非常規(guī)排放的影響

圖10所示為外特性工況下甲醇替代率對未燃甲醇與甲醛排放的影響規(guī)律。純柴油模式下未燃甲醇和甲醛排放量極低，隨轉(zhuǎn)速的變化不明顯。雙燃料模式下甲醇和甲醛的排放量隨甲醇替代率的增加而增多；隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速升高，甲醇的排放量先減少后略微增多，甲醛排放量逐漸增高，高速工況下甲醛排放增高更顯著。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速從1 000 r/min增到3 000 r/min，10%、15%甲醇替代率下甲醛排放量分別增多66.7%和62.5%，未燃甲醇排放量分別減少52.8%和59.6%，中高轉(zhuǎn)速（2 200 r/min）下未燃甲醇排放量最低。

隨著轉(zhuǎn)速升高，氣體在缸內(nèi)和排氣管中的流動速度增大，甲醛在缸內(nèi)和排氣管中參與反應(yīng)的時間變短，部分甲醛還未來得及參與反應(yīng)便被排出[34]，導(dǎo)致中高速工況甲醛排放量增多。當(dāng)發(fā)動機(jī)處于低速工況時，柴油噴射量較小，缸內(nèi)燃燒溫度較低，且缸內(nèi)氣流運(yùn)動減弱，火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档?，造成未參與燃燒的甲醇增多。隨著轉(zhuǎn)速增高，進(jìn)氣壓力和缸內(nèi)燃燒溫度提高，促進(jìn)甲醇氧化燃燒，未燃甲醇排放量降低。高轉(zhuǎn)速下由于燃燒及時性差，導(dǎo)致未燃甲醇排放量略微升高。

圖11a所示為外特性工況下非甲烷總烴排放特性，同一轉(zhuǎn)速下，隨著甲醇替代率增大，柴油噴射量減少，且甲醇脫氫反應(yīng)和氧化反應(yīng)的自由基產(chǎn)物（OH·）有利于非甲烷總烴的氧化分解，致使非甲烷總烴排放降低，低轉(zhuǎn)速下降幅更加顯著。相同甲醇替代率下，隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速升高，非甲烷總烴排放量減少。15%甲醇替代率下，1 000 r/min時非甲烷總烴排放量較純柴油模式降低60.6%，3 000 r/min時非甲烷總烴排放純柴油模式降低81.8%。中、高轉(zhuǎn)速下，缸內(nèi)燃燒溫度較高，有利于非甲烷總烴的分解和氧化。

圖11b為外特性工況下甲醇替代率對二氧化碳排放的影響規(guī)律。不同甲醇替代率下，二氧化碳排放量隨轉(zhuǎn)速的增加而降低，15%甲醇替代率時，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速從1 000 r/min升至3 000 r/min，二氧化碳排放量降低21.4%。同一轉(zhuǎn)速下，隨著甲醇替代率的增加，二氧化碳排放降低。甲醇燃料含碳量低，雙燃料模式下增加甲醇噴射量，有利于降低碳排放。柴油機(jī)在高速運(yùn)行時，其過量空氣系數(shù)較低，在很短的時間內(nèi)要組織良好的混合氣及燃燒過程較為困難，燃燒不易完善，故CO和碳煙排放增多，二氧化碳排放量減少。

3 結(jié) 論

1）柴油/甲醇RCCI發(fā)動機(jī)在最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速、不同負(fù)荷工況下未燃碳?xì)浠衔锱欧帕侩S甲醇替代率的增大而逐漸升高，隨負(fù)荷的升高而降低。低負(fù)荷下，總碳?xì)渑欧帕侩S甲醇替代率的增加而急劇升高，負(fù)荷率25%、15%甲醇替代率時，總碳?xì)渑欧帕窟_(dá)到原機(jī)的43.6倍；高負(fù)荷時，總碳?xì)渑欧抛兓吘彙?/p>

2）純柴油模式下，未燃碳?xì)渑欧帕繕O低，主要成分是芳香烴類（AHC）、非甲烷總烴（NMHC）和乙醛。柴油/甲醇RCCI燃燒模式下，碳?xì)浠衔锏闹饕煞质俏慈技状迹–H3OH）和甲醛（HCHO）。高負(fù)荷工況下，碳?xì)浠衔锱欧艥舛容^低，其中醛類排放的比例增加。

3）隨甲醇替代率增大，甲醇、甲醛、芳香烴碳?xì)浠衔锖蚐O2排放量升高，非甲烷總烴、CO2排放降低。25%負(fù)荷、甲醇替代率從0%增加到15%，CO2排放量降低4.5%。100%負(fù)荷、30%甲醇替代率時，CO2排放量較純柴油模式減少6.8%。采用柴油/甲醇RCCI燃燒模式，有利于減少CO2排放。

4）隨過量空氣系數(shù)減小，未燃甲醇、甲醛、非甲烷總烴和SO2排放量降低，CO2排放升高。高負(fù)荷下芳香烴碳?xì)浠衔镫S過量空氣系數(shù)的減小而升高，低負(fù)荷時則變化不明顯。柴油/甲醇RCCI模式下，適當(dāng)關(guān)小節(jié)氣門開度，減小過量空氣系數(shù)，對降低非常規(guī)污染物排放有利。

5）外特性工況下，隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增加，未燃甲醇、非甲烷總烴、二氧化碳排放降低，甲醛排放增多。15%甲醇替代率時，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速從1 000 r/min升至3 000 r/min，未燃甲醇排放量降低59.6%，非甲烷總烴排放降低81.8%，二氧化碳排放降低21.4%，甲醛排放增加62.5%。不同轉(zhuǎn)速下隨著甲醇替代率增加，非甲烷總烴和二氧化碳排放降低，未燃甲醇和甲醛排放量增加。

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Effects of excess air coefficient on non-regulated emissions of diesel/methanol RCCI engines

Huang Fenlian, Tian Maosheng, Wan Mingding, Shen Lizhong, Lei Jilin

(,,650500,)

Reactivity-Controlled Compression Ignition(RCCI) is widely expected as a promising dual fuel low-temperature combustion (LTC) strategy in recent engines. The potential strategy can control the in-cylinder fuel reactivity for the low NO and Particulate Matter (PM) emissions with high thermal efficiency. This study aims to investigate the effects of methanol fraction and excess air coefficient on the non-regulated emissions of diesel engines in RCCI mode under different operating conditions. A bench test was performed on a modified 4-cylinder high-pressure common-rail diesel engine under RCCI combustion. The results showed that the total hydrocarbon emissions increased sharply with the rise of methanol substitution rate, while decreased with the increase of load at 2000 r/min. The unburned methanol accounted for about 90% of total hydrocarbons (THC) emissions under the methanol/diesel dual fuel. The emissions of methanol, formaldehyde (HCHO), aromatic hydrocarbons (AHC), and sulfur dioxide (SO2) increased, whereas, the emissions of non-methane hydrocarbons (NMHC) and carbon dioxide (CO2) decreased, as the methanol substitution rate increased. The CO2emission reduced by 4.5% as the methanol substitution rate increased from 0% to 15% at 25% load, while dropped by 6.8% in the methanol proportion from 0% to 30% at 100% load. The emissions of unburned methanol, formaldehyde, NMHC and SO2decreased, while the CO2emission increased at different load rates with the decrease of excess air coefficient. Under 25% load, the emission of unburned methanol decreased by 16.9%, 12.7%, and 14.5%,while the emissions of formaldehyde reduced by 8.8%, 10.8%, and 10.5%, and the NMHC emissions reduced by 66.7% and 83.3% with 5%, 10% and 15% methanol substitution rate, as the excess air coefficient was reduced from 3.48 to 3.05.Under 100% load condition, the methanol emissions reduced by 45.6%, 45.9%, and 43.9%, and the formaldehyde emissions decreased by 36.5% and 33.3%, while the NMHC emissions dropped by 18.2%, 27.3%, and 60% with 10%, 20%, and 30% methanol, as the excess air coefficient decreased from 1.6 to 1.38. The emission of aromatic hydrocarbons rose with the decrease of excess air coefficient at high load, but the change was not obvious at low load conditions. Therefore, the relatively low excess air coefficient was beneficial to reducing the non-regulated emissions, where the valve opening was used to properly control the in-cylinder fuel reactivity during RCCI mode. The findings can provide a potential theoretical basis to balance the methanol/diesel dual-fuel RCCI combustion and pollutant emissions.

engines; combustion; diesel; methanol; excess air coefficient; non-regulated emissions

黃粉蓮，田茂盛，萬明定，等. 過量空氣系數(shù)對柴油/甲醇RCCI發(fā)動機(jī)非常規(guī)排放特性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2021，37(8)：52-61.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.08.006 http://www.tcsae.org

Huang Fenlian, Tian Maosheng, Wan Mingding, et al. Effects of excess air coefficient on non-regulated emissions of diesel/methanol RCCI engines[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(8): 52-61. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.08.006 http://www.tcsae.org

2021-01-03

2021-04-11

云南省科技計劃項目（2019FB073），國家自然科學(xué)基金項目（52066008）

黃粉蓮，副教授，研究方向為內(nèi)燃機(jī)燃燒與排放控制。Email：429019788@qq.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.08.006

TK422；TK421+.5

A

1002-6819(2021)-08-0052-10